【行業新聞】“諾獎級成果”量子反常霍爾效應，中國實驗室成果
從中國實驗室里，繼鐵基超導、多光子糾纏、中微子振蕩后，我國物理學再獲突破性進展。1月8日，由清華大學教授、中國科學院院士薛其坤領銜的清華大學和中科院物理所實驗團隊在量子反常霍爾效應取得的突破性成果，獲得2018年度國家自然科學獎一等獎。
全球首次發現：中國實驗室里產生的世界級基礎研究原創成果
“量子反常霍爾效應”——當第一次聽說這個名字，許多人都會一頭霧水。然而，走進這座自由王國，人們會發現一棟截然不同的摩天大樓。因為薛其坤團隊的發現，中國標注了這座大樓的新高度。
微觀世界的運行由量子力學規律支配，會顯示完全不同于宏觀世界的現象。霍爾效應是一種常見的電磁現象，廣泛應用于磁傳感器和半導體工業。那么當量子反常霍爾效應出現，會產生怎樣的神奇？
科學家們認為，量子反常霍爾效應的最美妙之處是“不需要任何外加磁場就可以實現電子的量子霍爾態”。因此，這項研究成果將會推動新一代的低能耗晶體管和電子學器件的發展，可能加速推進信息技術革命的進程。
據介紹，量子反常霍爾效應，可以改變電子的運動軌跡，使其像在高速公路上行駛的汽車一樣有序，減少了中間阻礙，降低了電子運動中的能量損耗。
這一發現經轉化應用，對普通大眾來說，最直接的影響就是有可能會解決手機或電腦發熱、耗電快、運行慢等問題。
自1988年美國物理學家提出可能存在不需要外磁場的量子霍爾效應以來，不斷有物理學家發表各種方案，但在實驗上并沒有取得任何實質性進展。2008年，薛其坤率領團隊開始進入這一領域，經過四年研究，終于在世界范圍內首次觀測到量子反常霍爾效應。
這是世界物理學界近年來最重要的實驗進展之一，引領了國際學術方向。這一發現的論文在美國《科學》雜志發表后，諾貝爾獎獲得者楊振寧稱：“這是從中國實驗室里，第一次發表出了諾貝爾獎級的物理學論文！”
創新實驗方法：學術道路前行每一步都有意義
從沂蒙山區走出來的薛其坤，個子不高、鄉音濃濃，樸實而風趣。奮斗與執著，是他和團隊成員王亞愚、何珂、馬旭村、呂力等在科學之路上的人生信條。
薛其坤研究團隊長期以來結合分子束外延生長、極低溫強磁場掃描隧道顯微鏡、角分辨光電子能譜技術，在表面、界面、低維物理學領域做出了國際一流的工作。
2008年，薛其坤研究團隊抓住拓撲絕緣體這個新領域興起的契機，在國際上率先建立了拓撲絕緣體薄膜的生長動力學機制，利用分子束外延生長出國際最高質量的樣品。所提出的生長方法現已成為國際上通用的拓撲絕緣體樣品制備方法。
在此基礎上，他們利用掃描隧道顯微鏡揭示出拓撲絕緣體表面態的拓撲保護性和朗道量子化等獨特性質。該研究團隊與國內相關科學家的努力使得中國在拓撲絕緣體領域研究中處于國際領先行列。
“這是過去二十多年來凝聚態物理和材料物理領域，最具挑戰性的實驗之一。”薛其坤坦言，實驗的難度在于目標的不確定性，“我們所要實現的材料就像一個人既需要短跑運動員的速度、又要有舉重運動員的力量、更要有花樣滑冰運動員的技巧”。
“我們的實驗結果得到了科學界的重復驗證，量子反常霍爾效應的實驗經受住了歷史的考驗。”薛其坤說，“想在科學原創上發現別人看不到、發現不了的東西，肯定你的眼睛要更亮，你使用的儀器工具分辨率、靈敏度必須要更高。”
量子反常霍爾效應和高溫超導是物理學界最熱門的兩個課題。薛其坤已經完成了前者，下一步將朝著后者進發。他坦言這是一次嶄新的嘗試：“在學術的道路，前行的每一步都有意義，這就是科學的魅力。”
理解“物理之美”：中國基礎科研正處“黃金時代”
科學探索就是無數次接近真理的過程。現在的薛其坤，越來越深刻地理解了“物理之美”。他認為，自己的生活每天就是回答為什么，探尋謎底的過程讓他樂此不疲。
“我們的成果與改革開放40年來取得的成就密不可分。”薛其坤說，量子反常霍爾效應的發現是改革開放40年間我國在基礎研究上的一個重大成果，日益強大的國力、良好完善的科技政策、科學系統的科技規劃、催人奮進的創新氛圍是基礎和保障。
發現量子霍爾反常效應團隊的五位主要完成人，平均年齡48歲，他們瞄準同一重大科學目標，各有所長但相對獨立，單元科研團隊的成員間形成了高效合作，其深度和持久性在國內外也不多見。
人類的生命稍縱即逝，物質也會隨著時間湮滅，唯有不朽的知識閃耀在歷史的長河里。團隊成員們表示：“中國的基礎科研正處在一個黃金時代，能成為這個時代的奮斗者，倍感幸福。”
薛其坤認為，必須讓創新人才坐得住冷板凳、耐得住寂寞，在基礎研究、原始創新上不斷突破，夯實國家核心競爭力的基石。
“我們是黨和國家培養起來的科學家。新時代為我們提供了更好的機遇，我們定要不負使命、努力奮斗，為國家強大、人民幸福和科學探索不斷做出新的貢獻。”薛其坤和他的同事們壯志滿懷。
來源：新華網
